CC BY
148
Y
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТЕЙ РАДИОСВЯЗИ С БЕСПИЛОТНЫМИ ЛЕТАТЕЛЬНЫМИ АППАРАТАМИ В ДИАПАЗОНАХ КВ И УКВ ДЛЯ ПОЛУЗАКРЫТЫХ И ЗАКРЫТЫХ ТРАСС РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН
Ананьев Александр Владиславович,
Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина", г. Вронеж, Россия, sasha303_75@mail.ru
Катруша Алексей Николаевич,
Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина", г. Вронеж, Россия, alexholms@mail.ru
Предметом исследования в работе является КВ-радиосвязь с беспилотными летательными аппаратами (БЛА), в том числе функционирующими в составе аэромобильной сети связи. Актуальность работы обусловлена необходимостью повышения устойчивости управления БЛА, что в свою очередь может быть достигнуто за счет увеличения зоны их радиодоступности путем использования КВ-радиосвязи. В отличие от известных работ, в которых рассмотрено использование КВ-радиосвязи для БЛА ионосферной волной, авторами предлагается применение прямой и дифракционной радиоволн. Это позволить улучшить радиодоступность БЛА в ситуациях, когда скачкообразное распространение радиоволн неэффективно, или невозможно, например, в условиях крайнего севера. Целью работы является: оценка реализационных возможностей канала КВ-радиосвязи с беспилотными летательными аппаратами в области глубокой тени с использованием дифракционной радиоволны. Для достижения поставленной цели в работе предложена методика оценки возможностей организации радиосвязи между БЛА, заключающаяся в расчете глубины снижения БЛА-приемника из исходной точки на заданной частоте относительно глубины снижения на опорной частоте 2500 МГц. Методика основана на геометрической теории дифракции, с использованием которой показан относительный выигрыш по увеличению радиодоступности беспилотных летательных аппаратов для случаев полузакрытой и закрытой трасс распространения радиоволн. Оценка выигрыша по радиодоступности проведена относительно традиционных высокочастотных каналов радиосвязи. Результаты применения предложенной методики подтверждают, что переход в КВ диапазон позволяет существенно увеличить радиодоступность БЛА за счет увеличения глубины снижения за препятствием в десятки раз по сравнению с УКВ диапазоном. Указанные достоинства канала КВ-радиосвязи могут использоваться при организации радиосвязи с БЛА в сложных условиях распространения радиоволн, например в горной местности или в городских кварталах. На полузакрытых трассах, когда приемник находится в зоне полутени выигрыш в увеличении глубины снижения незначителен, однако при переходе приемника в зону глубокой тени дифракционные способности радиоволн КВ диапазона проявляются в большей степени и выигрыш существенно возрастает. Таким образом, разработка аппаратуры КВ-радиосвязи прямой и дифракционной волной с БЛА является актуальной.
Информация об авторах:
Ананьев Александр Владиславович, докторант, к.т.н., Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина", г. Воронеж, Россия
Катруша Алексей Николаевич, доцент, к.т.н., Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина", г. Воронеж, Россия
Для цитирования:
Ананьев А.В., Катруша А.Н. Сравнительная оценка возможностей радиосвязи с беспилотными летательными аппаратами в диапазонах КВ и УКВ для полузакрытых и закрытых трасс распространения радиоволн // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Том 11. №10. С. 4-9.
For citation:
Ananev A.V., Katrusha A.N. (2017). Comparative estimation radiocommunication possibilities with unmanned aerial vehicles in HF and VHF ranges for half-closed and closed path of radio-wave propagation. T-Comm, vol. 11, no.10, рр. 4-9. (in Russian)
Ключевые слова: распространение радиоволн, геометрическая теория дифракции, множитель ослабления, беспилотный летательный аппарат.
т
Введение
Применение беспилотных летательных аппаратов (БЛЛ) становится неотъемлемой частью выполнения целевых задач в различных областях жизнедеятельности человека: картографирование местности, видео наблюдение, зондирование Земли, наблюдение за критически важными объектами, ведущиеся, в том числе в боевых условиях. Актуальность задействования БЛЛ обусловлена снижением рисков и материальных затрат при решении аналогичных задач с использованием пилотируемых воздушных судов. В то же время эксплуатация БЛА связана с проблемой затрудненного обмена данными по причине отсутствия радиовидимости между отдельными БЛА и пунктами управления полетом из-за существования высоких препятствий (жилых и технических сооружений, гор, деревьев и др.) и сферичности земной поверхности. Поэтому устойчивость информационного обмена с БЛА является не менее важным качеством эксплуатации комплексов БЛА, даже по отношению к таким, как летные свойства самих БЛА,
По мнению ряда авторов ¡1, 2] в интересах повышения устойчивости радиообмена с БЛА представляет интерес разработка каналов декамстрового диапазона волн, которая в свою очередь сталкивается с рядом проблем, таких как конформное размещение ДКМВ антенн и эффективная работа в режиме передачи. Также необходимо отметить, что известные работы, посвященные ДКВМ каналам БЛА объединяет использование для радиосвязи ионосферных радиоволн, в то время как КВ-радиосвязь при скачкообразном распространении там, где она особенно нужна, а именно в условиях крайнего севера [3] практически невозможна.
Частичное разрешение озвученной проблемы возможно на основе разработке каналов связи с беспилотными летательными аппаратами дифракционной волной в КВ-диапазоне.
Цель работы; оценка реализационных возможностей канала КВ-радиосвязи с беспилотными летательными аппаратами в зонах радиотени с использованием дифракционной волны.
Синтез и опенка целесообразности применения каналов КВ-радиосвязи прямой и дифракционной волной многогранна должна решаться как многокритериальная задача [4]. Одним из критериев многокритериальной оценки, в рамках обозначенных условий, а именно повышение устойчивости управления за счет расширения зоны радиодоступности логично принять относительное увеличение глубины погружения за препятствие по отношению к другим диапазонам радиосвязи с БЛА, определяемое дифракционными свойствами радиоволн.
Рассмотрим случай полузакрытой трассы для клиновидного препятствия, представленный на рис. 1, где обозначено: I — точка нахождения БЛА, передающего радиосигнал; II — равноудаленная точка местонахождения БЛА-нриемника, относительно клиновидного препятствия и БЛА-передатчика; III - точка снижения БЛА принимающего радиосигнал, на уровень /} относительно высоты препятствия
для фиксированного значения уровня напряженного па входе приемного устройства для канала радиосвязи на частоте 2500 МГц; IV - точка снижения БЛА принимающего радиосигнал, на уровень h относительно высоты препятствия для
фиксированного значения уровня напряженного на входе
приемного устройства для канала радиосвязи на ином значении частоты по отношению к 2500 МГц, и - расстояние от БЛА-передатчика и БЛА-приемника до точки дифракции соответственно, И' - высота подъема БЛА относительно уровня земли, равная высоте клиновидного препятствия. Трасса является полузакрытой при размещении БЛА-приемника в точке I. При увеличении приемник постепенно переходит в зону глубокой тени.
51
Рис. 1. Взаимное расположение объектов для случая полузакрытой исходной трассы
Также рассмотрим случай закрытой трассы для клиновидного препятствия, представленный на рис.2, где введены обозначения, аналогичные рис, I, за исключением: ~ глубины снижения БЛА-передатчика относительно высоты препятствия. В данном случае трасса является закрытой даже при размещении БЛА-приемника в исходной точке II,
h«
5з
1*ис. 2. Взаимное расположение объектов для случая закры той исходной трассы
Для сравнения дифракционных возможностей радиоканалов на различных частотах необходимо оценить напряженность электрического поля в точке приема за препятствием. Выражение для напряженности поля дифракционной волны имеет вид [5]:
£■ =
J30P,G
где р
прд
мощность, подводимая к передающей антенне;
С - коэффициент усиления передающей антенны; О- коэффициент дифракции; к - волновое число; Ав — коэффициент, зависящий от геометрии трассы и определяемый выражением [6]
У
У
Ь . м
Рис. 5. Зависимости дифракционного выигрыша от глубины погружения приемника за препятствие для полузакрытой трассы
Однако оценка возможностей радиосвязи с БЛЛ в коротковолновом диапазоне на основе сравнения множителей ослабления недостаточно наглядна. В связи с этим для практических оценок предлагается сравнивать глубину снижения БЛА-приемника и различных диапазонах частот. При этом предполагается, что при смене частоты меняется только дифракционная способность радиоволн, а характеристики приемного и передающего устройства остаются неизменными.
Порядок сравнительной оценки следующий,
1. Задаются частоты для сравнения дифракционных свойств, в работе приняты следующие значения: Б = 2500 МГц - опорная частота; ¥ = ] ООО МГц, Р = 100 МГц, р = 30 МГц, Р = 10 МГц - сравниваемые частоты.
2. Задаются расстояния до препятствия и 5, ■
3. Для каждого из заданных значений частот рассчитываются зависимости (4), представленные на рис. 4
4. На основе определяются глубины /г для сравниваемых частот относительно опорной. Для этого фиксируется значение множителя ослабления для опорной частоты Р-2500 М1 ц на глубине и с использованием зависимостей рис.4, определяются уровни /г, для сравниваемых частот.
На рисунке 6 представлены зависимости () для частот, выбранных для сравнения.
Рис. 6. Зависимости /]71) для случая полузакрытой трассы
Анализ зависимостей рисунка 6 показывает, что с понижением частоты существенно увеличиваются возможности организации связи за препятствием. Это обусловлено частотной зависимостью множителя ослабления на полузакрытой и закрытой трассе распространения радиоволн. Причем на полузакрытой трассе когда Ь„ =0 ми А, =0 м {приемник
в точке II) выигрыш отсутствует, так как для такой трассы коэффициент ослабления не зависит от частоты. При переходе в зону тени выигрыш от использования радиоволн более низкочастотного диапазона значительно возрастает. I [ри достижении значения десятков метров выигрыш в глубине снижения, определяемый как отношение А, к /7| достигает 8 и 15 раз для частот КВ диапазона 30 и 10 МГц соответственно.
Аналогичные расчеты, произведенные для случая закрытой трассы при Иа =50 м, представлены в виде графиков на
рис, 7-9.
0|-I-.-.-1-
Из рисунков 7, 8 видно, что уже при размещении БЛА-приемника в исходной точке II наблюдается выигрыш при переходе па более низкие частоты, что позволяет увеличить глубину снижения в КВ диапазоне до 400 и 700 м на частотах 30 МГц и ¡0 МГц соответственно. Это обусловлено тем, что в начальной точке приемник находится в зоне радиотени, где начинают проявляться дифракционные свойства радиоволн.
О 200 400 600 500 МО1
Ь , м
Рис. 7. Зависимости множителя ослабления от глубины погружения приемника за препятствие для закрытой трассы
ь . м
Рис. 8. Зависимости дифракционного выигрыша от глубины погружения приемника за препятствие для закрытой трассы
Y
Рис. 9. Зависимости Для случая закрытой трассы при
Л„ =50 м
Так на частоте 10 МГц дифракционный выигрыш в при И = Ом составляет 10 дБ (рис. 8). Очевидно, что такой запас позволяет существенно увеличить /?,. При достижении А, значения нескольких десятков метров вышрыш в глубине снижения, определяемый как отношение Ьг к а, достигает 20 и 40 раз для частот КВ диапазона 30 и 10 МГц соответственно.
Выводы
1. На основе геометрической теории дифракции для классической трассы распространения радиоволн с клиновидным препятствием, моделирующим горный хребет, рассчитаны множители ослабления, вносимого препятствием в коротковолновом и ультракоротковолновом диапазоне длин волн, для типовой задачи организации радиосвязи между двумя БЛА.
2. Предложена методика оценки возможностей организации радиосвязи между ЬЛА, заключающаяся в расчете глубины снижения БЛА-приемника из исходной точки на заданной частоте относительно глубины снижения на опорной частоте 2500 МГц.
3. Показано, что переход в KB диапазон позволяет существенно увеличить возможности БЛА по увеличению глубины снижения в десятки раз по сравнению с УКВ диапазоном. На полузакрытых трассах, когда приемник находится в зоне полутени выигрыш в увеличении глубины снижения незначителен, однако при переходе приемника в зону глубокой тени дифракционные способности радиоволн KB диапазона проявляются в большей степени и выигрыш существенно возрастает. Таким образом, организация радиосвязи с БЛА в KB диапазоне наиболее эффективна при нахождении БЛА-приемника в зоне радиотени и может использоваться в условиях горной местности или при наличии на трассе распространения радиоволн препятствий в виде городских кварталов или лесных массивов.
Литература
1. Воиткевич К.Л., Сулима A.A., Зац П.А. Проблемы построения канала управления беспилотными летательными аппаратами на основе Д К M В-рад и о л и н и и // Электросвязь. №7. 2014. С. 9-11.
2. Кореванов C.B.. Козин В.В. Анализ проблем эксплуатации навигационных систем беспилотных летательных аппаратов на высоких широтах // Научный вестник МГТУ ГА. №201. 2014. С. 31-34.
3. Благовещенский Д.В.. Мальцева O.A., Аншиин ММ. Использование К В-ради ос вяз и в высоких широтах // Техника радиосвязи. №4(27). 2015. С. 5-13.
4. Ананьев A.B., Змий Б.Ф.. Кащенко Г.А. Модернизация бортовых приемо-передающих систем беспилотных летательных аппаратов на основе эволюционного подхода // Радиотехника. 2016, № 8. С. 46-49.
5. Боровиков В.А., Кинбер Б.Е. Геометрическая теория дифракции. М.; Связь, 1978. 248 с.
6. Zhang W. A wide-band propagation mode! based on UTD for cellular mobile radio communications II IEEE Transactions on Antennas & Propagation. 1997. V.45. №11. Pp. 1669-1678.
7. Калинин А.И,, Черепкова E.JJ. Распространение радиоволн и работа радиолиний. M.: Связь, 1971. 440 с.
8. Son H.-W.. Mytmg N.-H. A deterministic ray tube method tor microcellular wave propagation prediction model // IEEE Transactions on Antennas & Propagation. 1999. V.47.№8. Pp. 1344-1350.
T
COMMUNICATUIONS
COMPARATIVE ESTIMATION RADIOCOMMUNICATION POSSIBILITIES WITH UNMANNED AERIAL VEHICLES IN HF AND VHF RANGES FOR HALF-CLOSED AND CLOSED PATH
OF RADIO-WAVE PROPAGATION
Alexander V. Ananev, Military educational-scientific center of Military-air forces "Military-air academy of a name of professor N.EZhukovsky
andJUAGagarin", Voronezh, Russia, sasha303_75@mail.ru Alexey N. Katrusha, Military educational-scientific center of Military-air forces "Military-air academy of a name of professor N.EZhukovsky
and JUAGagarin", Voronezh, Russia, alexholms@mail.ru
Abstract
An object of research in operation is the shortwave communication with unmanned aerial vehicles (UAV), including functioning as a part of an aeromobile communication network. The operation urgency is caused by necessity of increase of stability of control UAV that can be in turn reached at the expense of magnification of a zone of their radio availability by shortwave communication usage. Unlike known operations in which usage of a shortwave communication for UAV is considered by sky wave, authors application of a direct wave is offered. It to allow to refine radio availability UAV in situations when spasmodic radio propagation is is ineffective, or it is impossible, for example, in the conditions of the Extreme North. The operation purpose is: an estimation of implementational possibilities of the channel of a shortwave communication with unmanned aerial vehicles with usage of a diffraction radio-wave. For object in view achievement in operation the technique of an estimation of possibilities of the organization of a radio service between UAV, consisting in calculation of depth of lowering of the UAV-receiver from originating point on the given frequency concerning depth of lowering on reference frequency 2500 of MHz is offered. The technique is based on the geometrical theory of diffraction with which usage the relative scoring on magnification of radio availability of unmanned aerial vehicles for cases of the half-closed and closed routes of radio propagation is shown.
The scoring estimation on radio availability is led concerning traditional high-frequency channels of a radio service. Results of application of the offered technique confirm that passage in HF a range allows to increase essentially radio availability UAV at the expense of magnification of depth of lowering behind a hindrance in tens times in comparison with VHF a range. The specified advantages of the channel of a shortwave communication can be used at the organization of a radio service with UAV in difficult propagation conditions of radio-waves, for example in mountain terrain or in city quarters. On half-closed routes when the receiver is in a zone of a half-shade a scoring in magnification of depth of lowering it is insignificant, however at receiver passage in a zone of a deep shade diffraction abilities of radio-waves HF of a range are shown in a greater degree and the scoring essentially increases. Thus, development of equipment of a shortwave communication by direct and diffraction wave UAV is actual.
Keywords: radio wave propagation, geometrical theory of diffraction, attenuation multiplier, unmanned aerial vehicle. References
1. Vojtkevich K.L., Sulima A.A., Zac P.A. (2014). Problems of creation of control link unmanned aerial vehicles on the basis of the HF-radio line. Moscow. Jelektrosvjaz', no. 7, p.p. 9-11. (in Russian)
2. Korevanov S.V., V.V. Kazin (2014). The analysis of problems of maintenance of navigation systems of unmanned aerial vehicles at high latitudes. Moscow. The scientific bulletin of MGTU GA. No. 201. Pp. 31-34 (in Russian)
3. Blagoveshhenskij D.V., Mal'ceva O.A., Anishin M.M. (2015), Shortwave communication usage in high latitudes. Tehnika radiosvjazi. No. 4(27). Pp. 5-13. (in Russian)
4. Anan'ev A.V., Zmij B.F., Kashhenko G.A. (2016). Upgrade of onboard priemo-transferring systems of unmanned aerial vehicles on the basis of the developmental approach. Radiotehnika. No. 8. Pp. 46-49. (in Russian)
5. Borovikov V.A., Kinber B.E. (1978). The geometrical theory of diffraction. Moscow. Svjaz'. 248 p. (in Russian)
6. Zhang W. (1997). A wide-band propagation model based on UTD for cellular mobile radio communications. IEEE Transactions on Antennas & Propagation. Vol. 45. No. 11. Pp. 1669-1678.
7. Kalinin A.I., Cherenkova E.L. (1971). Radio propagation and operation of radio frequency spectral lines. Moscow. Svjaz', 440 p. (in Russian)
8. Son H.-W., Myung N.-H. (1999). A deterministic ray tube method for microcellular wave propagation prediction model. IEEE Transactions on Antennas & Propagation. Vol.47. No. 8. Pp. 1344-1350.
Information about authors:
Alexander V. Ananev, doctoral candidate, Cand.TechSci., Military educational-scientific center of Military-air forces "Military-air academy of a name of professor N.EZhukovsky and JUAGagarin", Voronezh, Russia
Alexey N. Katrusha, the senior lecturer, Cand.TechSci, Military educational-scientific center of Military-air forces "Military-air academy of a name of professor N.EZhukovsky and JUAGagarin", Voronezh, Russia
T-Comm Vol.11. #10-2017
7TT
